運動對胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下胰島素PI3K/Akt/GSK-3信號傳導(dǎo)通路影響的研究進展

楊運華 (凱里學(xué)院體育學(xué)院，貴州 凱里 556011)

運動對胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下胰島素PI3K/Akt/GSK-3信號傳導(dǎo)通路影響的研究進展

楊運華 (凱里學(xué)院體育學(xué)院，貴州 凱里 556011)

目前關(guān)于胰島素抵抗(insulin resistance，IR)為特征的肥胖癥和2型糖尿病(T2DM)發(fā)病率呈逐年上升的趨勢。對胰島素受體后PI3K/Akt/GSK-3信號傳導(dǎo)通路研究表明，該信號通路的信號傳導(dǎo)減弱或通路受損是導(dǎo)致發(fā)生以上病癥的重要原因。運動是改善IR的重要手段，介紹了IR環(huán)境下該信號通路中各級聯(lián)蛋白的活性變化以及運動對各蛋白變化趨勢的影響，旨在為揭示其發(fā)生機制以及關(guān)于重建血糖平衡的措施制定提供參考。

運動；胰島素抵抗；信號通路；PI3K; Akt；GSK-3;GS

胰島素信號傳導(dǎo)通路中的受體前、受體中及受體后任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)障礙都會導(dǎo)致胰島素抵抗(IR)的發(fā)生[1]。胰島素受體后抵抗是絕大多數(shù)IR發(fā)生的主要機制，其研究主要集中在靶細胞內(nèi)部，其中信號蛋白活性出現(xiàn)異?？赡軙鹦盘枩p弱或受阻，導(dǎo)致整條信號通路的信號傳導(dǎo)障礙[2]。現(xiàn)主要就運動對IR狀態(tài)下胰島素受體后PI3K/Akt/GSK-3糖原合成信號傳導(dǎo)通路的研究進行綜述。

1 肝臟胰島素PI3K/Akt/GSK-3信號傳導(dǎo)通路概述

胰島素傳導(dǎo)通路是由胰島素與靶組織的細胞膜上受體結(jié)合而啟動的。生理狀態(tài)下，胰島素作用于靶細胞細胞膜上的INSR，與受體α亞基結(jié)合，致使自身多個β亞基酪氨酸位點磷酸化，繼而與胰島素受體底物 (IRS-1和IRS-2)結(jié)合，使底物蛋白上的酪氨酸被胰島素受體上的酪氨酸激酶磷酸化。被磷酸化的IRS-1和IRS-2與下游的磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)p85亞單位相互作用，促使其靠近質(zhì)膜，引起PI3K-p110亞單位催化4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)生成3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)，PIP3激活作為第二信使的蛋白激酶Bβ(PKBβ/Akt2)和丙酮酸脫氫酶激酶1 (PDK1)。二者從胞漿轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜后促使PDK1磷酸化Akt2蛋白上的Ser473和Thr308位點磷酸化并激活它，使下游的GSK-3α(ser21)和GSK-3β(ser9)磷酸化，抑制糖原合成酶激酶-3(GSK-3)的失活，促進糖原合成酶(GS)去磷酸化，提高其活性，促進組織糖原合成，降低外周血糖濃度。

2 IR對胰島素受體后PI3K/Akt/GSK-3信號傳導(dǎo)通路的影響

2.1IR對PI3K蛋白表達及其磷酸化的影響

PI3K在胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中起正性調(diào)節(jié)作用，在發(fā)生IR的大鼠中，肝臟、肌肉組織中PI3K蛋白表達明顯減少。Jiang等[3]在對肥胖的Zucker大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，肝臟和肌肉中與PI3K相結(jié)合的IRS(-1/-2)表達減少，導(dǎo)致PI3K活性明顯降低。陳夢華等[4]研究發(fā)現(xiàn)，高糖喂養(yǎng)的IR建模成功的Wistar大鼠與正常對照組鼠比較，骨骼肌中PI3K磷酸化水平明顯降低。但Christcy等[5]報道肥胖大鼠在7周有氧運動后，分別于末次運動結(jié)束后24、96h、7d取材測試肥胖大鼠肝臟PI3K磷酸化水平，結(jié)果均無明顯變化。說明PI3K的磷酸化水平存在一定程度上的組織差異性。其調(diào)節(jié)亞基p85對于PI3K的活性起至關(guān)重要作用，表現(xiàn)為p85的表達增加或減少與PI3K的活性呈負(fù)相關(guān),其機制是過度表達的PI3K-p85亞基能夠競爭性抑制p85-p110二聚體與IRS的結(jié)合,從而抑制其活性。楊欽河[6]和張梁[7]的研究證明，高脂膳食喂養(yǎng)引發(fā)的IR大鼠肝臟及骨骼肌的PI3K-p85的蛋白表達水平明顯升高。說明PI3K-p85高水平表達有可能是肥胖誘導(dǎo)IR發(fā)病機制中一個早期致病環(huán)節(jié)。

2.2IR對Akt2蛋白表達及其磷酸化水平的影響

Akt被認(rèn)為是胰島素調(diào)節(jié)肝臟、肌肉和脂肪代謝糖脂最關(guān)鍵的信號分子之一。在IR環(huán)境下，胰島素刺激引起的PI3K/Akt信號傳導(dǎo)途徑的作用下降， Akt2在胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中參與了胰島素介導(dǎo)的糖代謝調(diào)節(jié),PI3K活化受抑導(dǎo)致Akt2蛋白表達及其磷酸化水平下降。Joanne等[8]研究表明，在胰島素信號傳導(dǎo)途徑中，PI3K下游分子Akt2基因敲除小鼠的肝臟及骨骼肌等組織對胰島素的反應(yīng)較正常小鼠有不同程度的減弱，說明Akt2是生理狀態(tài)下糖代謝平衡的必需因子，尤其在肝臟中表現(xiàn)為對肝糖原的合成減少及葡萄糖生成增多,葡萄糖耐量受損。連韓[9]的研究結(jié)果顯示，采用高脂飲食喂養(yǎng)大鼠，培養(yǎng)成IR大鼠模型，其肝細胞內(nèi)Akt2的蛋白表達及其磷酸化水平明顯低于正常對照組。

2.3IR對GSK-3蛋白表達及其磷酸化水平的影響

GSK-3是一種絲/蘇氨酸類蛋白激酶，其活性受自身磷酸化水平影響，它負(fù)反饋調(diào)節(jié)胰島素介導(dǎo)的葡萄糖內(nèi)穩(wěn)態(tài)和糖原合成。它普遍存在于哺乳動物細胞內(nèi)，有兩個亞型，分別是GSK-3α、GSK-3β。二者雖結(jié)構(gòu)相似，但功能各異[10]，且具有一定組織特異性。GSK-3α主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)肝糖原合成[11-12]，而GSK-3β在胰島素敏感組織中具有一定的調(diào)節(jié)功能。IR時，表現(xiàn)為肝細胞GSK-3α活性升高，磷酸化水平降低[11]；骨骼肌GSK-3β活性升高，磷酸化水平降低[11，13-14]。

2.4IR對GS蛋白表達及其磷酸化水平的影響

GS是糖原合成的限速酶，生理狀態(tài)下GS在磷酸酶作用下導(dǎo)致其去磷酸化,提高自身的活性,促進組織糖原合成；IR存在時，上游的GSK-3表達異常增高，促使GS去磷酸化失活，導(dǎo)致糖原合成受阻。Kida[15]和王艷榮[16]在實驗中都發(fā)現(xiàn)IR大鼠骨骼肌和肝臟GS活性下降，糖原合成受損，并指出胰島素反應(yīng)缺損可能與GS磷酸酶受限有關(guān)。Gannon等[17]研究發(fā)現(xiàn)T2DM大鼠的肝內(nèi)GS含量較正常對照組活性升高，而酶蛋白減少,mRNA的表達明顯減少，引起肝GS的合成減少，同時證實了糖原合成酶磷酸酶活性與胰島素靶細胞反應(yīng)之間存在高度相關(guān)性。

3 運動對胰島素受體后PI3K/Akt/GSK-3信號傳導(dǎo)通路的影響

3.1運動對PI3K蛋白表達及其磷酸化水平的影響

Saengsirisuwan等[18]對肥胖Zucker鼠進行60min/d跑臺訓(xùn)練，連續(xù)15d，發(fā)現(xiàn)比目魚肌的PI3K活性顯著增加。Eliete[19]和Arias[20]報道,長期耐力訓(xùn)練的大鼠，發(fā)現(xiàn)PI3K磷酸化水平明顯升高。說明有規(guī)律的長期運動可改善胰島素在骨骼肌細胞中的作用，提高PI3K的活性和磷酸化水平。Frфsig等[21]通過人體實驗，急性運動后4h,經(jīng)胰島素處理骨骼肌吸收葡萄糖增加80%，PI3K 活性明顯高于運動前。Chis等[22]研究也發(fā)現(xiàn)，3h大強度運動可以有效增加肝臟細胞細胞質(zhì)內(nèi)PI3K的活性。說明單次大強度運動對PI3K的活性也有一定的影響。曹師承[23]在研究中發(fā)現(xiàn)，長期游泳大鼠可以增加骨骼肌對胰島素的敏感性，在比較不同運動強度和取材時間PI3K磷酸化和蛋白表達中發(fā)現(xiàn)，相同運動強度運動lh后24h取材組PI3K磷酸化水平高于lh運動48h取材組，得出結(jié)論如強度相同取材時間越短PI3K蛋白含量越高。說明取材時間距離末次運動時間越近，PI3K蛋白表達含量變化越明顯。

關(guān)于運動對于PI3K-p85的影響，有研究報道稱，運動干預(yù)可提高胰島素的敏感性，增強PI3K的功能，但卻不影響骨骼肌PI3K-p85和其他亞單位基團的蛋白表達[20,24]。至于運動對于其他胰島素敏感組織中PI3K-p85活性影響未見報道。

3.2運動對Akt2蛋白表達及其磷酸化水平的影響

運動可提高骨骼肌和肝臟中Akt2蛋白含量、活性及其磷酸化水平，改善胰島素在靶細胞中的敏感性。Sakamoto[25]研究表明，運動可以提高人體股四頭肌Akt2的活性。胡瑞平等[26]研究顯示，運動組大鼠游泳8周后骨骼肌中蛋白激酶B蛋白表達及磷酸化程度增加，增強了骨骼肌的胰島素敏感性。Reynolds等[27]報道，20月齡小鼠跑臺訓(xùn)練6周，與對照組比較，骨骼肌Akt2磷酸化水平升高45%，蛋白含量升高50%。但曹師承[23]研究發(fā)現(xiàn)，相同動物模型、訓(xùn)練強度的大鼠，取材時間不同，Akt的活性不同，證明了運動可以改善肥胖大鼠Akt蛋白含量，但有時間限制。

3.3運動對GSK-3蛋白表達及其磷酸化水平的影響

陳丹等[28]研究表明，運動訓(xùn)練可降低IR大鼠骨骼肌GSK-3蛋白表達水平，提高骨骼肌對胰島素敏感性。這與有關(guān)的研究[25,30-31]結(jié)論一致。廖八根[31]研究結(jié)果顯示，雄性SD大鼠通過慢性長期耐力運動后，致使EDL基礎(chǔ)胞質(zhì)GSK-3蛋白活性下降,GSK-3磷酸化明顯增加。運動干預(yù)會引起GSK-3總量磷酸化水平升高,致使其活性降低，改善IR。該激酶磷酸化過程即是使自身失活的過程。

運動對GSK-3亞型變化的影響表現(xiàn)為其亞型磷酸化水平升高，蛋白表達下降及活化受抑。Markuns[32]研究結(jié)果顯示，雄性大鼠通過跑臺訓(xùn)練后檢測后肢大腿骨骼肌GSK-3蛋白含量，發(fā)現(xiàn)GSK-3α磷酸化水平升高導(dǎo)致GSK-3α和GSK-3β蛋白表達下降了40%～60%。Aschenbach[30]研究發(fā)現(xiàn)，大鼠急性跑臺運動后骨骼肌GSK-3β(Ser9)磷酸化顯著增加,活性顯著下降。運動對GSK-3亞型變化的影響與總量的變化趨勢一致。

3.4運動對GS蛋白表達及其磷酸化水平的影響

GS可通過去磷酸化解除GSK-3對它的抑制作用，從而活化，刺激糖原合成。運動對于GS活性的影響，目前有爭議。運動可以促進IR環(huán)境下GS的活化。Ryan[33]研究證實通過運動和合理膳食可以改善絕經(jīng)后肥胖婦女的糖耐量，提高胰島素的敏感性和GS的活性。但運動對于基礎(chǔ)狀態(tài)下的GS活性影響則結(jié)論不一。魏守剛等[34]研究發(fā)現(xiàn)，耐力性運動大鼠糖原耗竭運動后1h，總GS活性和被磷酸化的GS活性顯著升高；耗竭運動后6h，去磷酸化的GS活性顯著升高；運動后24h，總GS活性和被磷酸化的GS活性又顯著升高。而全凱[35]的研究結(jié)果表明，2月齡SD大鼠采用大小兩種強度進行訓(xùn)練，取材時間分別為1、6h和12h，發(fā)現(xiàn)骨骼肌中GS的含量變化沒有統(tǒng)計學(xué)差異，結(jié)論為GS含量對血糖及肌糖原影響不大，大強度運動后GS含量較小強度運動后在相同恢復(fù)時間的對應(yīng)點上略高。

4 結(jié)語

目前眾多實驗研究已表明可通過運動改善IR狀態(tài)下胰島素信號通路蛋白磷酸化和蛋白表達,增加對葡萄糖的吸收與利用，同時也針對IR發(fā)生時胰島素信號傳導(dǎo)途徑中各級聯(lián)蛋白對于胰島素靶細胞反應(yīng)受損作出各種解釋。但關(guān)于運動對胰島素PI3K/Akt/GSK-3信號通路影響的整體研究不多，目前針對通路中目標(biāo)蛋白的研究結(jié)論出現(xiàn)部分差異，推測運動引起組織糖原含量增加可能還受其它生物學(xué)機制的調(diào)控，在一定程度上造成了研究運動對此條信號通路影響的難度。若針對運動對整條通路的影響展開系統(tǒng)的研究，將可為揭示運動防治IR的機制及其挖掘更多有效的作用靶點提供科學(xué)依據(jù)。

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[編輯] 一 凡

R339.4

A

1673-1409(2013)21-0142-03

2013-04-13

楊運華(1979-)，男，講師，碩士，主要從事運動生理學(xué)教學(xué)與研究工作。